王海濱 周正 李炳榮 解傳軍

摘? 要： 通信對(duì)抗中數(shù)字通信調(diào)制方式識(shí)別作為一種非協(xié)作通信識(shí)別是近年研究的熱點(diǎn)，提出一種基于信號(hào)瞬時(shí)特性并結(jié)合決策論對(duì)通信信號(hào)調(diào)制方式進(jìn)行識(shí)別的方法。該方法選用數(shù)字通信信號(hào)中的五個(gè)典型特征參數(shù)作為判決準(zhǔn)則，然后給出基于決策論判別樹的方法，選取恰當(dāng)?shù)奶卣鏖T限進(jìn)行信號(hào)識(shí)別流程設(shè)計(jì)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在信噪比較低時(shí)也具有較高的識(shí)別正確率和更快的識(shí)別速度，更容易工程實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 通信對(duì)抗; 數(shù)字通信; 調(diào)制方式識(shí)別; 特征參數(shù)選擇; 特征門限選取; 信號(hào)識(shí)別流程

中圖分類號(hào)： TN911.72?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）16?0022?04

0? 引? 言

在通信對(duì)抗、軍事偵察、電磁頻譜管理等領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)面臨非協(xié)作通信的情況，在通信對(duì)抗偵察中對(duì)于非協(xié)作通信的偵察一般是缺少調(diào)制信號(hào)先驗(yàn)知識(shí)的。所謂調(diào)制識(shí)別指的是在通信偵察過(guò)程中，通過(guò)偵察接收機(jī)對(duì)接收到的通信信號(hào)，在未知調(diào)制信息內(nèi)容的情況下判斷出信號(hào)的調(diào)制方式的過(guò)程[1]。隨著信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，自20世紀(jì)以來(lái)研究人員就對(duì)信號(hào)識(shí)別進(jìn)行探索，但隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信信號(hào)也在不斷變化，這對(duì)通信信號(hào)識(shí)別帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)，所以通信調(diào)制識(shí)別仍然是通信對(duì)抗領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。

通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別主要包括信號(hào)預(yù)處理、參數(shù)提取、分類識(shí)別幾個(gè)步驟。目前在通信信號(hào)調(diào)制方法上，主要有基于統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別、小波變換、灰色關(guān)聯(lián)以及決策理論等方法，每一種調(diào)制信號(hào)識(shí)別方法都各有特點(diǎn) [2]。文獻(xiàn)[1]對(duì)通信信號(hào)的識(shí)別方法首次進(jìn)行了理論創(chuàng)新，提出了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)數(shù)字通信信號(hào)進(jìn)行調(diào)制識(shí)別，文獻(xiàn)[2]則從特征參數(shù)提取角度改進(jìn)了傳統(tǒng)決策理論算法，并利用決策樹對(duì)信號(hào)調(diào)制進(jìn)行識(shí)別。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，各類算法可以嵌入到硬件系統(tǒng)當(dāng)中，但在信號(hào)調(diào)制識(shí)別領(lǐng)域，復(fù)雜的調(diào)制識(shí)別算法還不能有效的被工程實(shí)現(xiàn)。因此，研究適合于工程實(shí)現(xiàn)的通信信號(hào)識(shí)別算法有著很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)需求。本文著眼于特征參數(shù)提取算法，從而實(shí)現(xiàn)以較小的工程計(jì)算量，較高的識(shí)別正確率，并且適用的信噪比范圍較大，選用信號(hào)瞬時(shí)特性參數(shù)，對(duì)數(shù)字調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了分式識(shí)別，并通過(guò)仿真給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明該方法在信噪比較低時(shí)，相較于其他方法具有更快的識(shí)別速度，更容易工程實(shí)現(xiàn)。

3? 調(diào)制識(shí)別

目前，決策理論已經(jīng)廣泛應(yīng)用到信號(hào)調(diào)制識(shí)別的領(lǐng)域，在通信信號(hào)調(diào)制識(shí)別方面，國(guó)內(nèi)外有許多研究采用基于決策理論的調(diào)制識(shí)別算法，但都存在從理論分析上能夠取得好的效果，在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)識(shí)別算法過(guò)于復(fù)雜導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)、識(shí)別準(zhǔn)確率不高等問(wèn)題[8]。使用決策論判別信號(hào)調(diào)制方式時(shí)，首先需要建立特征參數(shù)，而后建立一定的判決準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上將信號(hào)瞬時(shí)特征參數(shù)與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制樣式識(shí)別。

基于決策論的識(shí)別方法具有多種優(yōu)點(diǎn)，它相對(duì)于其他識(shí)別方法，計(jì)算量相對(duì)較小，并且易于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)時(shí)性較好，因此非常適合應(yīng)用于通信信號(hào)識(shí)別領(lǐng)域[9]。識(shí)別的基本思路是：在接收到新的信號(hào)后，就計(jì)算出信號(hào)的瞬時(shí)特征參數(shù)。

由于不同信號(hào)特點(diǎn)不同，導(dǎo)致其相互之間的瞬時(shí)特征參數(shù)有很大區(qū)別，根據(jù)設(shè)定的門限值，進(jìn)行比較后就可以在不同級(jí)別將不同信號(hào)兩兩分辨出來(lái)。在信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別過(guò)程中，主要與信號(hào)識(shí)別順序以及特征參數(shù)位置有關(guān)，同時(shí)特征參數(shù)門限值與識(shí)別正確率也有很大關(guān)系[10]。具體識(shí)別步驟如下：

1） 通過(guò)接收機(jī)對(duì)接收的數(shù)字通信信號(hào)進(jìn)行下變頻，使之變成中頻信號(hào);

2） 由瞬時(shí)幅度計(jì)算特征參數(shù)[M1]，根據(jù)[M1]將FSK信號(hào)從信號(hào)群中識(shí)別出來(lái);

3） 根據(jù)瞬時(shí)相位計(jì)算特征參數(shù)[Mp1]，與設(shè)定的特征門限值[t（Mp1）]相比較，然后將4PSK信號(hào)識(shí)別出來(lái);

4） 根據(jù)瞬時(shí)相位計(jì)算特征參數(shù)[Mp2]，與設(shè)定的特征門限值[t（Mp2）]相比較，識(shí)別2PSK信號(hào);

5） 根據(jù)瞬時(shí)幅度計(jì)算特征參數(shù)[M2]，使用[t（M2）]門限值，區(qū)分2ASK信號(hào)與4ASK信號(hào);

6） 根據(jù)瞬時(shí)頻率計(jì)算特征參數(shù)[Mf]，結(jié)合特征參數(shù)門限值[t（Mf）]，對(duì)2FSK信號(hào)和4FSK信號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

經(jīng)過(guò)以上步驟，根據(jù)瞬時(shí)信息特征參數(shù)，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制方式的全過(guò)程識(shí)別[11]。上述的識(shí)別過(guò)程的流程如圖1所示。

4? 仿真及結(jié)果分析

在完成對(duì)數(shù)字通信信號(hào)模型構(gòu)建、瞬時(shí)特征參數(shù)提取以及識(shí)別流程設(shè)計(jì)后，對(duì)上述方法進(jìn)行仿真，以測(cè)定識(shí)別方法的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。根據(jù)信號(hào)瞬時(shí)特性并利用決策論的識(shí)別方法與信噪比密切相關(guān)，通過(guò)仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)的信噪比大于10 dB時(shí)，采用上面的特征完成信號(hào)識(shí)別，效果很好。

在仿真實(shí)驗(yàn)中，可以采用[M1]來(lái)提取瞬時(shí)幅度信息，區(qū)分FSK信號(hào)還是ASK或者PSK信號(hào)。利用[Mp1]來(lái)提取相位信息，識(shí)別4PSK信號(hào)，采用[Mp2]識(shí)別2PSK信號(hào)，用[M2]區(qū)分ASK和4ASK信號(hào)，用[Mf]來(lái)區(qū)分2FSK和4FSK信號(hào)。利用[M1]，[M2]，[Mp1]，[Mp2]，[Mf]這5個(gè)特征參數(shù)與相應(yīng)的門限進(jìn)行比較，逐層地對(duì)待識(shí)別的信號(hào)進(jìn)行分解識(shí)別。在數(shù)字通信信號(hào)的分類識(shí)別過(guò)程中，門限選擇正確與否直接影響對(duì)兩類信號(hào)分類的成功率[8]。要實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制方式的識(shí)別，就需要在仿真時(shí)，首先，生成數(shù)字通信信號(hào)，同時(shí)為了模擬真實(shí)的通信信號(hào)傳播和接收過(guò)程，在生成的信號(hào)中加入高斯噪聲信號(hào)，仿真時(shí)載波頻率為20 kHz，采樣頻率為120 kHz，碼元速率為5 kHz;然后，通過(guò)在不同信噪比情況下進(jìn)行多次特征參數(shù)的計(jì)算，可以得到每種調(diào)制方式的特征參數(shù)存在一定的變化區(qū)間，而這個(gè)區(qū)間是隨著信噪比提高而降低;最后，當(dāng)信噪比提高到一定程度時(shí)，特征參數(shù)變化區(qū)間接近一特定值，將這個(gè)特定值作為特征門限的參考值。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，能夠驗(yàn)證信號(hào)識(shí)別方法的有效性，同時(shí)能夠定量地驗(yàn)證在不同信噪比條件下的識(shí)別率。從圖2給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，當(dāng)信號(hào)的信噪比在5 dB時(shí)左右時(shí)，ASK信號(hào)可以達(dá)到99%識(shí)別率，識(shí)別成功率相對(duì)較高;而2PSK信號(hào)識(shí)別率則為89%，識(shí)別成功率相對(duì)下降;頻移鍵控4FSK和相移鍵控4PSK兩種信號(hào)的識(shí)別率都維持在83%左右，相對(duì)較低。而當(dāng)信噪比升為9 dB時(shí)，除了4PSK信號(hào)識(shí)別率為97%，其他信號(hào)識(shí)別率均達(dá)到了100%;進(jìn)一步提高信噪比，可以讓識(shí)別率都達(dá)到100%。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文著眼于信號(hào)瞬時(shí)特征參數(shù)提取算法具有快速性和準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，便于用較小的工程計(jì)算量實(shí)現(xiàn)。首先，對(duì)數(shù)字通信信號(hào)進(jìn)行了模型設(shè)計(jì);然后，根據(jù)信號(hào)調(diào)制識(shí)別需求選擇瞬時(shí)特征參數(shù)，基于決策論的判別方法，利用瞬時(shí)特征參數(shù)和判決門限進(jìn)行了信號(hào)調(diào)制識(shí)別流程設(shè)計(jì);最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證了方法的有效性，給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明該方法在信噪比較低時(shí)，相較于其他方法具有更快的識(shí)別速度，更容易工程實(shí)現(xiàn)。下一步將研究在識(shí)別過(guò)程中如何設(shè)定自適應(yīng)門限以進(jìn)一步提高數(shù)字通信信號(hào)調(diào)制方式識(shí)別成功率。

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